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人的骨头的内在互动加载在日常活动

卡洛斯·N伊莱亚斯1*丹尼尔·J费尔南德斯1和Jose Eduardo可能2

1生物材料实验室,Instituto Militar de Engenharia巴西里约热内卢

2西班牙德尽管Espaciais,圣荷西dos坎波斯- SP, 12227 - 010年,巴西

*通讯作者:
卡洛斯·N伊莱亚斯
皇家研究院Militar de Engenharia
公关创Tiburcio 80
22290 - 160年里约热内卢,RJ,巴西
电话:55 + 21 2546 - 7244
电子邮件:elias@ime.eb.br

收到的日期:02/03/2018;接受日期:11/05/2018;发布日期:20/05/2018

DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000220

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文摘

标准规范骨科植入人体的设备材料,包括要求完成,标志,保健和处理,但是不解决每种类型的植入物所需的机械性能。机械强度不足的原因是医疗设备的失败。对于任何植入设备的发展,制造商需求的信息将受到的负载设备。在骨折固定的情况下,信息通常是失踪。本文介绍相关信息关于生物力学和常见的负载,时刻和压力相关的日常活动期间人的骨头之间的内在关系。预计的结果源于这些计算时要站在医疗设备概述了骨折的稳定

关键字

骨加载、生理负荷、医疗设备、人工骨

介绍

基于技术标准要求的材料选择不足以确保医疗设备的良好性能;设计和生产过程能很强烈地影响设备属性。这不是技术标准定义的意图的任何医疗植入物的性能水平。这是制造商的责任建立适当的安全与健康行为和确定监管限制的适用性之前使用一个植入。机械测试方法仅用于保证生产的同质性的目的。基于标准的规范,基本质量和监管要求,如安全、可靠性的植入物建立了制造商在设计和开发阶段。错误的设计和材料规格不足可以导致医疗设备的质量问题和失败。尽管不断增加的医疗设备故障分析、文献没有权威的管理和以证据为基础的指导方针整形骨折固定。在整形存在普遍缺乏共识创伤这些骨折的外科医生和植入物制造商的管理失败。设计验证应该确保植入物将满足病人的需要和应该指定批准的条件测试,模拟日常使用。

骨强度取决于骨密度、几何、组成、形态、患者年龄、性别和病人的活动。在大多数情况下,骨折产生机械不稳定性,阻碍了愈合过程。骨折引起的机械效应主要包括骨连续性,导致病态的机动性和支持(1]。这种创伤性不连续破裂血管周围的骨和释放剂,促进骨愈合。因此,尽管骨折是一个纯粹的机械过程,它启动重要的生物反应等吸收和骨形成。骨重塑的发生,它是非常重要的,双方的骨折是正确对齐。虐待骨折可能稳定条件,损害发动机函数

治疗骨折,手术恢复肢体的校准和促进愈合过程可以描述为提供绝对的还是相对的机械稳定性。刚性植入旨在减少骨折的流动。灵活的手术固定板的断裂或棒允许压力下的骨折碎片之间的微动。骨折合并通常发生在灵活的或不稳定的条件下形成的愈伤组织机械团结骨头碎片。唯一的技术限制了运动骨折部位是interfragmentary压缩(2]。稳定性降低了应力骨折部位和允许疗愈不可见骨愈伤组织的形成。

生物材料选择植入物,钢板和螺钉是基于机械性能,生物相容性和能力来执行所需的功能。为了确定的尺寸设备应该知道所选材料的机械性能和强度的力量将提交骨折区域。生理骨的文学提供了必要的数据加载在人类的头(下颌骨、上颌骨、牙齿、头骨和中间三分之一的脸)开发的产品用于骨折固定bucomaxillofacial地区(3]。本研究的目的是为人类的上肢收集类似的数据区域(肩、臂、前臂和手),下肢(髋骨、股骨、胫骨、脚和肌腱)和脊柱(颈、胸、腰椎)。

数字1 - 5显示区域,在目前的研究工作。这些负载是重要的知识设计和开发新的整形设备,如植入,盘子和螺丝。这些设备被用于骨愈合,接骨,功能替代部分骨外科重建和支持初始加载在关节固定术。这项工作应该考虑对于学生、研究人员、工程师和医疗设备制造商参与植入物用于骨科的开发和生产骨折固定。

分析人类的上游地区:肩膀,手臂,肘部、前臂和手

肩膀

肩复杂由四个关节直接关系肩胛骨,锁骨,胸骨和肋骨。所有关节共同行动和互动在任何重要的运动的武器4,5]。连接的锁骨肩锁的建立了肩胛骨的关节和解剖学上举办一个纤维软骨的圆盘,导致处理大量的压力通过这个关节的肩胛骨的运动(6]。

肩胛骨的连接与胸腔scapulothoracic设置的关节,它允许一个平滑的连接通过肌肉之间的交互和囊的结构(5,6]。超过17肌肉在肩胛骨关系密切,被附加上或被来自大三角平坦地形的骨头。这个关节能够增加总肱骨,也促进了一个大的旋转杆运动的不同肌肉附着在肩胛骨骨。

的原因之一的极端流动性肩复杂是因为关节窝的较小规模的盂肱关节相比,肱骨头的延伸。基于有限的解剖接触联合插座和肱骨头,肩的稳定性取决于交互的韧雷竞技网页版带和肌肉结构附加到复杂7,8]。骨骼的唯一地区附件上树干stenoclavicular联合建立的。这个关节连接锁骨胸骨骨、肌肉附件锁骨的战略结构,稳定和保护潜在的领域,同时也防止内侧位移和低迁移的肩带6,8,9]。

肩膀的灵活性,主要在弯曲和绑架,导致不稳定在复杂重复的联合行动和可能导致炎症反应在关节和肌肉附件(6,10]。创伤也由于创伤在瀑布或直接影响不同地区肩复杂的组件包括肩带、锁骨骨头,更很少在肩胛骨。

肩膀骨折的类型人口年龄的变化。最常见的肩锁骨骨折发生在儿童骨骼,经常下降的结果。肩胛骨骨折很少发生。在成人最常见的骨折肱骨的顶部(肱骨)。许多肩膀骨折可以用吊索。有些骨折严重,治疗需要手术。一些手术包括放置板、销和螺丝或电线。

手臂(肱骨)

图1显示力量的分布的肩膀,手臂和前臂。肱骨符合作为一个球窝接头的肩膀。肱骨骨折轴占1 - 5%的骨折(11]。肱骨骨折管理通过保守治疗或手术治疗。钢板和螺钉、髓内钉、外固定可用于外科手术治疗。临床结果表明,较低的刚性固定促进二级骨愈合有愈伤组织的形成。最好的程序是使用桥镀与锁钉板固定,这使骨头动(11]。

material-sciences-investigated

图1:人体上部区域调查工作。

Ulian et al。12肱骨骨缝术的)评价不同方法。基于他们的工作,肩膀上的力及其分布是通过手臂和前臂大约负载flexocompression肱骨骨折。男性与1.70和80公斤,肱骨骨折发生在52 N加载。机械测试的结果的骨肱骨头的气缸显示平均极限强度从3.21 MPa到6.17 MPa。

位错肩盂肱关节是常见的,回到正确的位置是容易的。甘兰和Pichora13]研究了盂肱接触力在五个日常生活活动:从椅子上站起来使雷竞技网页版用武器(轴向压缩在两臂),坐到一把椅子使用武器(轴向压缩在两臂),柱着拐杖走路(轴向压缩在一个手臂),提升5.0公斤(49 N)框使用双手从地板到肩高(在轴向拉伸两臂),取消10.0公斤(98 N)箱子使用一只手(一只胳膊在轴向方向上拉伸)。六个健康自愿从51到64岁(意思是,55)、体重(BW)从52到89公斤(意思是,73公斤)和高度从1.52到1.87 m(意思是,1.68米)参与了这一研究。测量体重力量范围从0.3到6.9倍。盂肱力从椅子上站起来是0.5到4.3 BW,柱着拐杖走路BW 0.4到3.2。坐下来需要最低盂肱(0.3到0.5 BW)和起重10.0公斤框从地板上使用双手盂肱力越高(1.5到6.9 BW)。虽然这项研究是意识到盂肱地区,众所周知,支持负载会传播给肱骨作为一个整体。使用安全裕度为100%,1260公斤的价值可能被视为医疗设备所需的最小力量。

以下的分析压力,戈麦斯和那鸿书(14)的一项研究中报道了长骨头的几何属性和应力性骨折,2840 N的力是需要在压缩骨折肱骨和扭转。断裂弯曲载荷作用下,力极限应力的1.510 n肱骨骨密质为122.58 MPa。因此,应力分析,值450 MPa (2 * 123 MPa)可以作为一个标准批准的产品寻求合并肱骨骨折的地区。批准在扭转,0.43 N的时刻的价值⋅m /学位可能采取的产品针对整合在同一地区。

肘部

肘臂(肱骨骨)之间建立联系和前臂(半径和尺骨骨)通过这些元素的交互关节,韧带和肌肉(9]。前臂动作应用程序依赖的肩膀的力量,在参与控制的手在手腕和手指的动作。

有三个共同构成肘部系统,允许运动的骨头手臂和前臂。肱骨与尺骨近端部分和骨头ulnohumeral和radiohumeral关节半径(15]。10 - 25°之间的一个角之间存在的长轴肱骨和桡尺骨的骨头在扩展位置(16]。最后一个关节连接半径和尺骨允许内转和旋后的骨头。它们之间的相互关系是由一个骨间膜,也有助于维护力量传输应用尺骨骨半径。

布罗德贝克et al。17]引用下面的手腕在肘夹没有任何承载在恢复的时候会很难接触到10 N的力在每天1500到3000倍。

前臂(半径和尺骨)

根据戈麦斯和那鸿书(14半径是950公斤的抗压强度为男性和女性780公斤20到89岁。的最大压缩负荷尺骨是男子1140公斤和850公斤的女性。所需的平均应力断裂的弯曲半径是18.5±0.4,23.2±0.6公斤/毫米²。尺骨的极限抗扭强度为4.95公斤/毫米²。这个信息是非常重要的计算尺寸和选择植入物材料。

接近的最小截面半径和尺骨圆形截面,可以计算出应力对应于一个作用力15 N(手和前臂的重量),加上一个体重15公斤(150 N)举行的手臂。知道压力是由:

图像(1)

前臂的时刻,最远的点是可以通过方程计算。

M = Fd (2)

在F是应用力(150 N)和d是距离的应用程序。

根据固体力学,连续压力可以移动质心计算机械应力。

哈米尔(15)估计,一些物体的质心的位置。计算不同相关研究总数的百分位体重是用来揭示人体的每一部分的部分重量。质心的位置是基于百分之一的区段长度proximal-end取向。的组装由前臂和手随这些段和位于0.682 L维度从近端端从远端和0.318 L, L是手臂的长度。人的高度H之间的比例和乐团由前臂和手的长度约为0.254 H。假设一个人高1.80米,手和前臂的长度将46厘米,重心将位于31.2厘米(180厘米×0.254×0.682)从近端区域,如所示图1。前臂和手分离部分的质量可能是0.016和一个男性身体的总重量的0.007%,分别。这些值可能会轻微的变化为0.0157%和0.005%,如果女性身体作为一个例子。

另一个相关方面相关的质心,质量平衡的影响在物体的旋转轴。阻力由大众对这个对象的能力称为惯性移动,可以量化的惯性矩。然而,有限制的惯性矩计算的部分人体对这些部分的考虑均匀的身体因为它们是由几个组织奇异特征。因此,一个选择可以考虑部分独特的片段和计算被执行的回转半径,考虑各部分的质量分布,分别和关联的影响基于运动的旋转轴。Eqn。(3)可以用来估计人体的每一部分的惯性矩:

我= m²(ρL) (3)

我是每一部分的惯性矩(基于回转半径),m是段的质量,ρ是回转半径和L是段长度。

惯性矩估计的另一种方法是采取引用任何平行轴的轴通过一个物体的质心。这个计算技术被称为平行轴定理和由eqn恢复。(4)

第九=我+²先生(4)

第九,是任何平行轴的惯性矩,我是惯性矩作为参考通过质心,m是物体的质量和r是布斯轴之间的垂直距离。

为了估计正常加载,我们假设的尺骨支持15公斤的重量的手臂。因为前臂的重心位于非常接近的插入矫形板和前臂本身是十倍的重量小于15公斤,它可能被忽略的计算。在这种情况下,米,由eqn计算。(2)添加两个时刻,是22.2海里。

一个圆形截面惯性矩我(70毫米²)可以计算使用以下:

图像(5)

结果是我= 390毫米4。因此,根据eqn。(1)理论应力是268 MPa。图1显示了加载在该地区的尺骨和半径。

动态应力进行同样的计算,用最大可能的距离(最重要的),我们发现57 MPa的值。

批准,因此,作为一个静态标准268 MPa在弯曲的价值可能被认为是假体的设计用于骨折治疗尺骨和区域的半径。动态标准批准,57 MPa在弯曲的价值可能会采取一个产品针对骨折合并领域的半径和尺骨。

根据Rikli et al。18),在中性旋转前臂,力从107 N与手腕手腕弯曲197 N的扩展。当手腕在径向偏差,前臂旋后,力是245 n .因此,任何植入或固定骨折外固定器用于支持这些负载应该有足够的抵抗。

鹰嘴

图1显示应用程序的区域板块和棒的鹰嘴和肌腱插入地区。鹰嘴,没有研究支持的负载。然而,它是可能的估计所涉及的负载并确定最坏的这个地区可能面临压力。鹰嘴地区内的棒不发生扭转。内翻的动作和旋后涉及旋转不直接与尺骨但半径,经历扭转需求,保持尺骨鹰嘴符合整个手臂。

手术后,医生问病人最初的过程中不要有分量的骨愈合。在这种情况下,只有前臂本身的重量是支持的地区。前臂和手的重量,左和右,大约1.5公斤(15 N)。这个负载是由软组织的一部分,皮肤、肌肉和肌腱。

可以看出在该地区的板骨折稳定,没有插入点的肌腱。鹰嘴的在该地区的机械加载板可以忽略不计,因为肌腱的日常正常的负载。因此,板应该支持鹰嘴的只有一小部分。

计算强调鹰嘴手臂的重量的原因,有必要知道最关键的横截面面积区域,即。,最小的部分。没有确凿的研究这一地区。戈麦斯和那鸿书14]分析了肱骨的几何性质,假设平均横截面积是男性和160毫米200毫米²²。计算的目的,他们认为鹰嘴的最重要区域的直径最小(区)相当于肱骨的平均直径。他们也分析尺骨的几何性质。他们国家,横截面平均是90毫米²为男性和女性70毫米²。尺骨的机械性能,据报道,由弯曲断裂所需的平均压力在23.0到18.7公斤/毫米²。将这些值应用到鹰嘴地区,更大的横截面积(160毫米²),可以使用eqn计算的压力。(1)。在这个方程,给出的压力时刻M乘以y(在这种情况下,是直径的一半)除以面积的惯性矩,即惯性矩梁的横截面面积,相对于一个轴通过其重心措施其刚度,即。,其抗弯强度与轴。因此,压力是成反比的价值。以此类推,可以估计最关键的鹰嘴区域的应力性骨折(160毫米²)92 MPa。

使用相同的计算的前臂地区(半径和尺骨)和只考虑鹰嘴作为支持,压力负载的15公斤是92 MPa。

执行相同的计算动态应力(带着手臂的重量本身)我们获得17 MPa的价值。

在这些数据的基础上,动态审批标准,价值34 MPa (2×17 MPa)在弯曲,可能被视为一个动态审批标准产品针对治疗骨折在鹰嘴地区。184 MPa的价值(2 x 92 MPa)可能被视为静态审批标准的产品。图1显示了计算中使用的数据。

手腕地区

Rikli et al。18)进行体外和体内试验和决定力量的分布传播通过radioulnocarpal关节在正常生理条件下。研究表明,力量比其他作者报道更严重。测量部队原位测试值109 N时肢体受到负载150 N在同一研究中提到,软组织在该地区支持的一些负载应用到关节。

狼的工作(19),在尸体,证实应用加载100 N的肌腱的手腕。因此,建议使用100 N的力随着负载的标准产品开发目标应用程序在手腕地区(图1)

应用生物力学的努力趾骨,掌骨,手腕的骨头和远端半径在日常活动19,20.]。桡腕关节允许所有运动除了对纵轴旋转。运动额平面包括绑架,有时被称为径向偏差或径向弯曲,内收,有时被称为尺侧偏移或尺侧弯曲。在矢状面,手腕扩展和收缩。弯曲使手掌前臂的脸。intercarpal运动关节是可以忽略的。腕掌的关节有两种类型:

)拇指关节是一个马鞍(sellar)联合。这种联合允许广泛的和独特的运动;

b)趾关节是单轴铰链关节,只有一个自由度。

近节指骨的内固定有一个时刻接近260 N·cm当没有interfragmentary发生板固定螺丝。因此,板的验收标准是应该支持的260 N·厘米到裂缝开始,支持负载19 N这个力比力测量弯曲后的近端指间关节。考虑是加载出现在60度到90度的角度,分别对应于10到14 N在回应的联合支持(19]。因此,值260不合格品可以被认为是最重要的,因为它指的是一个产品在市场与某些长寿。

然而这一标准,可以提炼命令的使用。(1)和(4)。基于这些方程,可以得到最终的压力。结果可以用来评估是否植入物将会失败。

图像(6)

在eqn。(4)我z转动惯量,房地产措施的质量分布的身体转动轴。物体的惯性矩越高,就越难使其旋转。Eqn。(4)允许部分的转动惯量的计算矩形剖面(或类似于矩形),取决于底b和高h。

eqn。(1)一个可以确定的压力时刻基于y值(在这种情况下的一半高度h)和我z。这种压力可能被用来作为一个明确的标准。

从Cabibihan等的工作。20.]可以考虑到方阵与矩形截面的形状的身体。考虑h = 9毫米和b = 16毫米,获得一个工业区的值= 972 mm4和M = 140 N·毫米(y = 4.5毫米)和0.65 MPa的压力。这个压力可以视为产品验收准则的指骨。

基于文献[21,22),前臂和正确的重量,左手所示表1。中的数据表1显示的重量是大约4 n .假设手将完全由腕骨头,持续一个可以计算的转矩的手会被自己的重量。伸出去的手的长度对应的10.8%的人的高度。手的重心从近端地区位于50.6%。人高1.80米,手的重心从近端地区位于约100毫米。假设整个手掌骨近端区域的支持和没有援助或支持其他骨头或柔软的部分,产生最大的杠杆臂的情况是最关键的条件和诱发的最大扭矩,如所示图1

表1。手和手臂的重量。改编自航空航天医学研究实验室[21]。

人体部分/重量(公斤) 钱德勒等。[21] Clauster等。[22]
左手 0.3737 0.374
右手 0.4004 0.3932
左前臂 1.0888 0.7701
左侧上臂 1.8882 1.4845
右手 0.4004 0.3932
右前臂 1.1132 0.821
右上臂 1.8425 1.5256
左大腿 6.7751 5.827
右腿 6.5233 5.947
左小腿 2.6719 2252.5
右小腿 2.6857 2.2426
左脚 0.8372 0.9882
右脚 0.8357 0.9522

基于这些考虑,现在就等于40 N·厘米。根据这个计算,可以认为一个40 N·厘米是最关键的时刻,建立了产品的验收标准掌骨地区使用。这一标准可以精炼eqn的使用。(3)。

从Cabibihan等的工作。20.)可以估计掌骨骨的宽度的男性和女性。平均值为8.3毫米(9毫米为男性和女性7.6毫米)。假设掌骨的圆形,我们得到我z= 232.84毫米4M = 40 N·厘米,y = 4.15毫米。基于适当的替换,被发现7.13 MPa的压力。这个值可以作为掌骨地区医疗设备的验收准则。

肌腱

肌腱在形状和方向不同,取决于他们的联盟的肌肉纤维。缝合锚是常见的植入物用于附加肌腱等软组织。锚已成功用于修复韧带和肌肉病变。与屈肌digitorum profundus(FDP)的手,Brustein et al。23)确定最大负载应用于远端关节运动期间19 N由自民党的手。

肩区,科尔et al。24)确定冈上肌和冈下肌腱支持35 N - 665 N的最大拉力,分别。的肩膀,平均231 N的力量足以伤害到胶囊韧带的复杂。关节损伤被称为板卡特病变。

前外侧韧带力学性能(全部)伪劣盂肱韧带(IGHL)高于膝盖荚膜组织。的弹性模量是174±92 MPa, 139 + 60 IGHL MPa,高于62±30 MPa的胶囊。(46岁,4±20.1 MPa)极限应力高于胶囊(13.4±7.7 MPa)和IGHL (38.7±16.3 MPa) [25]。

下肢

下肢有四个部分:腰带(骨盆和髋关节复杂),大腿(股骨骨),腿(胫骨和腓骨骨),脚(有着数不清的骨复杂)。

复杂的骨盆和臀部

骨盆带由髂骨、坐骨耻骨骨,纤维相互关联的髋臼的腔内(26]。骨盆负责连接躯干和下肢,所有驱动合作在下肢运动(27)保持平衡,姿势和平衡在交互的韧带,肌腱和肌肉从髋关节复杂(28]。

髋关节区域是下肢近端关节。它的运动是由一个关节,关节,有三个轴:横向轴(平面弯曲的动作和扩展执行),纵轴(纵轴,允许外部和内部旋转的运动)和前后轴(位于矢状面,执行绑架和内收的动作)。股骨颈的轴线之间的夹角和正常股骨大约是125度。关节是由股骨,髋臼内旋转,由骨盆骨形成。

柯克伍德et al。29日)测量了一刻,力量,运动范围和机械工作由髋关节和膝关节关节在步态的30男人55岁和75岁之间。这项研究包括数据的三个平面上运动。飞机是最关键的计算动量是矢状面。伸肌内部动力平衡外部屈肌力量达到0.76 N·m /公斤步态周期的6%。内部屈肌动力步态周期的51%为0.64 N·m /公斤。因此,假设一个体重80公斤的人,最重要的动力,这个人将在一个步态周期大约是61 N·m。

髋关节植入物的是复杂的,有几个几何图形。ISO 7206 - 9(植入手术:局部和全髋关节假体:第6部分:耐力属性测试和性能需求的颈部区域是股骨组件)(30.)规范标准化疲劳测试的参考价值。这个技术标准提出了一个装配的机械测试和最小负载(500 N)疲劳试验。107年的抗疲劳强度为5000 N周期。

在一个通常站的人,大约35%的体重是由股骨头的支持。技术标准建立基于临床研究参考价值。足够的值是1200 N的植入股骨的头的中心距离最远的点植入小于120毫米。中间的距离,值为2300 n .这些数据是基于值从ISO 7206 - 630。图2说明了髋部地区的压力。

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图2:加载的股骨和胫骨。

罗宾逊et al。31日]研究髋关节梨状肌肌腱的力学性能来评估不同的固定方法,发现断裂所需的力髋关节梨状肌肌腱约为300 N。

的符合股骨骨骨盆的髋臼的腔内插入作为一个插座(26]。头部有一个球形和主要的骨松质骨小梁和皮质薄带,以增强其结构强度。松质骨的数量负责大部分的部队分布在髋关节在生理载荷的结构26]。股骨头持有特定角度145°促进适当的角和维护功能和髋关节的关节和使股骨骨远离身体。韧带的强度提供之外,还有一个松散的胶囊与附件肌腱,韧带,使接触整个股骨头和大部分的头雷竞技网页版26]。

文献表明,在股骨颈和半径是骨折最脆弱的网站。Gauthier et al。32相比一些人类(50 - 98岁)骨解剖网站(半径和股骨颈),分析了断裂行为。机械测试进行股骨颈、股骨、胫骨和半径生长板样品。解剖的结果表明,尽管网站,骨头断裂性质相同的加载条件。

胫骨和股骨

鹰嘴骨折的解剖减少Tejwani et al。33)使用两种方法相比,生物力学稳定性:盘子和带连接。他们得出的结论是,镀后达到刚性稳定大于张力带固定连接。电镀技术允许压缩骨折部位,减少术后并发症问题的可能性。

肌肉骨骼损伤新兵参与军事训练是一个严重的问题,但是这可能是对女性尤其重要。最常见的网站军事和平民都是应力性骨折的胫骨(25%)、跖骨(21.7%)、骨盆(21.7%),与股骨(20%)。要或女性报告运行不到1.5英里每运行比女性更有可能产生应力性骨折谁跑3或更多英里每运行(34]。

劳伦斯et al。35)认为,强调应用于骨弯曲阻力是有限的韧带和肌肉结构,负责传播的力量。他们测量的扭力强度腿骨(胫骨)从尸体和最高价值217 N·m是一个完整的骨头。这个值降低到144 N·m胫骨钻孔时的插入螺丝。他们还测试了从尸体韧带的强度,观察到最高的弯矩的韧带胫骨是170 N·m。然而,在正常的日常活动,在弯曲应力的痛阈的限制每个导致最多126海里的时刻。因此,有一个自然的限制可以应用的时刻,这是低于钻骨的强度。作者提到的价值80 N·m弯矩支持在日常活动中,低于阈值的痛苦。

根据伯格曼et al。36),分析了加载检测植入物的支持下,一个人可以约238%的体重转移到腿在共同活动在日常生活中,例如人以80公斤,负载转移到植入约270公斤(2650 N)。他们也研究股骨受到的扭矩在日常活动中,发现一个人爬楼梯时,股骨受到加载等于2.96% (3170 N)的体重。

Krischak et al。37)确定弯曲的生物力学强度和疲劳在股骨侧板固定设备的人类尸体。作者相比,滑动髋螺钉(无)经皮压缩板(PCP)。八对人类尸体股骨进行比较的主要稳定两下植入两个测试:循环荷载200 N, 400 N, 600 N, 800 N, 1000 N和加载失败。他们观察到的标本和卡式肺囊虫肺炎期间位移加载显示高于固定标本固定起来。也显示出了类似的倾向更大的负荷。作者发现骨质疏松性股骨骨矿物质密度(184.9毫克/厘米)失败当负载超过200 N。

鲍斯威尔et al。38)表明,锁定压缩板(LCP)相比,标准不联锁板用于稳定半径骨折显示大约95%更高的抗断裂。连结控制协定抵制1755 N负荷,而标准不联锁板只支持919 N负荷。

关于技术用于稳定的骨折固定、江(39]表明,机械,有些技术需要超过一种固定。200 N的负载可以被视为股地区的审批标准产品和142 N的值可能被视为批准标准产品的胫骨,腓骨和跟骨区域。

根据戈麦斯和那鸿书(14]人类骨骼的生物力学分析,几个长骨头的平均横截面积,包括胫骨,是为一个成年男性和180毫米240毫米²²的成年女性。股骨截面,值的男性和260毫米330毫米²²。腓骨,横截面为男性和50毫米70毫米²²。这些数据是有效的从20到89岁的人。

大腿的平均长度对应0.245 H, H患者高度的地方。该地区的平均长度膝盖以下英尺等于0.246 h。对于一个主题的高度1.80米,股骨的长度,胫骨和腓骨对应大约440毫米。这些数据能够养活eqn。(1)使计算的压力这些骨头被提交。

圆截面的惯性矩,我由eqn给出。(3),M是由eqn时刻。(2)。

距离点的应用d是被每一个肢体的中心为了获得最重要的结果。

以y为直径的一半骨头,应力的计算值为91.7 MPa。这个压力是用来动态标准批准产品用于该地区的胫骨和73.3 MPa的动态标准批准产品用于股骨的地区。

腓骨,进行同样的计算,结果是624 MPa。每个人都应该记住,大多数负载支持的胫骨。

Brustein et al。23)检查了屈服应力(塑性变形最小压力)股骨和胫骨的拉伸和压缩载荷。他们发现屈服应力是一个函数的年龄20到89年。胫骨,拉伸试验的屈服应力变化从120年到140年MPa和压缩屈服应力变化从183年到213 MPa。股骨,屈服应力在张力变化从104年到120年MPa和压缩屈服应力变化从180年到209 MPa。

山田(40)报道,一个压缩加载590公斤诱发腓骨骨折。考虑到截面前面所提到的,张力裂缝等于116 MPa。这些数据表明,主要在胫骨应力压缩,自胫骨支持大部分的体重。根据这些值,可以建立以下标准:

213 MPa的压力的临界值是静态加载的情况下产品的批准用于该地区的胫骨。

209 MPa的压力的临界值是静态加载的情况下产品的批准用于股骨的地区。

116 MPa的压力是静态加载的临界值批准的产品用于腓骨的地区。图2说明了股骨和胫骨加载。

膝盖

膝盖是身体中最马厩联合之一,允许足够的力量分布从脚的同时,允许一个满意的股骨和胫骨之间的交互运动。有克制相关韧带,依法参与肌肉活动以保证正确的功能稳定的膝盖。大部分的机械需求影响膝关节负荷也参与修订的胶囊,它维护了直接与肌肉和韧带在附近41]。三个主要关节构成膝关节被称为胫股的,胫腓的和髌股的。

的前和后交叉韧带膝关节是人体最复杂的地区。Kokron et al。42]确定拉阻力971 N的前交叉韧带(ACL)和993 N后交叉韧带(PCL)。

内侧patello-femoral韧带(MPFL)似乎是最重要的被动膝稳定器和它50 - 60%的内侧软组织的力量约束的偏侧性髌骨。Criscenti et al。43)评估个体内侧patello-femoral韧带的拉伸行为(MPFL)人类的新鲜冷冻尸体的膝盖并与结构性的。他们观察到的极限应力隔离韧带16岁+ 11 MPa,极限应变是24.3 + 6.8%,杨氏模量是116 + 95 MPa和应变能密度为2.97 + 1.69 MPa。对整个结构的极限荷载增加到145 + 68 N,极限应变是9.5 + 2.9毫米和被吸收的能量为818.8 + 440.7毫米。

Tibiofemural接头连接两个最大的骨头的身体和由两个大侧(股骨侧),两个独立的纤维软骨半月板两骨之间交互的两个主要韧带(横向和韧带),控制前后的和旋转运动的关节。抵押品外侧,内侧和外侧韧带稳定胶囊在扩展位置。

胫腓联合是一个小的清晰度的腓骨和胫骨髁的后外侧的伪劣的网站。这个关节虽然小于其他人负责消散扭转应力出现在脚,救援胫骨在横向方向和承受拉伸弯曲努力在调和的中间部分腓骨(44]。

髌骨关节参与连接的髌骨与股骨,在髌骨的后部区域的髌腱的胫骨。另一个附件领域髌骨股骨髌骨涉及其连接的和patellotibial韧带45]。

图3显示了人类脚的骨骼结构。生物力学应力是重要的表征主要运动构成个体的步行周期。有两个关键点在人脚的结构。第一个是Lisfranc关节,将引用tarsometatarsal联合。第二跖骨之间的关系和近端趾骨,引用跖趾关节。Lisfranc损伤(也称为Lisfranc骨折,Lisfranc错位,Lisfranc骨折脱位,tarsometatarsal受伤,或者只是足损伤)是一个受伤的脚,或全部,从踝骨跖骨分离。

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图3:人类脚的骨骼结构。

马森et al。46]研究了人类尸体下肢的力量。作者测量了压应力对跟骨和第一和第五跖骨的头。他们观察到脚和跟骨获得约60%的负载4000 N应用到脚。软组织破坏发生在负载超过1600 N。

步态周期之间的时间步骤,有两个部分:立场和摇摆。在第一部分,腿和支承面之间的接触;雷竞技网页版第二,腿前进,没有接触表面。雷竞技网页版考虑到最大负载压缩在日常活动约为1000 N,并假设跟骨上的负载变化线性应用负载,可以显示,最大的400 N是直接用于跟骨;这是预期的峰值负载。然而,当马森et al。46在正常的日常活动,最大值为142 N。

踝关节外侧韧带在运动过程中受伤的高风险活动。大约85 - 90%的脚和脚踝受伤是由于韧带联合和外侧韧带扭伤,这是人类下肢最薄弱的部分。(ATFF)前距腓韧带是最常受伤的韧带侧踝关节扭伤和calcaneofibular (CFL)韧带是第二个。高雄et al。47]分析了脚踝韧带。根据这些研究,人类前距(ATFL),距腓后(PTFL)和calcaneofibular (CFL)韧带负责踝关节的稳定性和抵抗破裂139 N, 261 N和714 N,分别。年兽et al。48)确定踝关节韧带原位力学行为的生理水平加载。1.0毫米的伸长载荷作用下地区,后calcaneofibular和距腓韧带外侧都提交给张力约等于118 N和177 N,分别。

奥尔登堡等。49)确定踝关节假体的生物力学强度关节固定术,发现脚上的垂直力在散步可以达到1000 N或体重的125%。

罗杰斯(50]研究了生物力学的脚和脚踝复杂的行走和奔跑和发达infograph显示压力分布模式在四个不同的步态周期的阶段。压力中心是特别重要的,因为脚是由三个拱门(纵向,内侧和横向)。重要的是要注意,鞋跟高的压力。跟骨区域和前足力大约是体重的1.1到1.3倍50- - - - - -52]。视觉斯托克斯等提供的数据。51),便于理解。罗杰斯(数据报告的压力50),斯托克斯等。51和其他作者总结表2

表2。平均值,标准偏差(SD)和最大应力(Max)行走时脚。改编自罗杰斯等。[45]和斯托克斯等。[46]。

地区 意思是(MPa) SD (MPa) 马克斯(MPa)
第一跖骨 0.32 ±0.134 0.454
拇指 0.307 ±0.127 0.435
横向足 0.116 ±0.030 0.146
后跟外侧 0.349 ±0.090 0.439
内侧的手指 0.286 ±0.100 0.386
内侧脚跟 0.434 ±0.212 0.646
内侧足 0.057 ±0.013 0.07
侧的手指 0.174 ±0.022 0.197
第二跖骨 0.354 ±0.109 0.463
侧跖骨 0.324 ±0.144 0.468

陆克文et al。52]分析了被材料吸收能量最小化在车祸骨折的风险。的张力被材料吸收汽车踏板和期间将被转移到脚刹车的范围从0.172到0.931 MPa。价值发现的陆克文et al。52)和罗杰斯(50)是相似的。材料的力学性能是重要的减少能量的转移到脚。如果没有吸收的能量的一部分踏板,脚骨折后的影响。一个预计的最大能量转移的影响低于最大应力发生在跟骨,而步行或跑步。上面提到的所有值在同一个范围(从0.10 kPa到1.0 MPa)。因此,1.0 MPa的价值可能被视为批准标准设备使用前脚地区0.15 MPa的值可以被视为批准标准设备用于足地区和0.65 MPa的值可以被视为批准标准设备跟骨地区使用(图3)

脊柱

颈椎

负荷应用于脊柱颈的部分被用来作为植入物的验收标准。图4和图5说明了植入区域的加载。

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图4:宫颈加载的例子。

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图5:加载在胸腰椎脊柱的例子。

莫等。53]研究了负载在颈部的结构物理任务。男性受试者的意味着脖子负荷为29.7 N·m。在女性平均负载较小的10%至40%。他们观察到颈部肌肉的收缩力是180 N .最关键的加载的压缩力C4-C5椎段(1164 N);横向剪切力是125 N和前后的剪切力was135 N .椎间植入物受到的静态抗压强度4929 N和534 N的动态抗压强度500万周期。

Ivancic et al。54]研究了人类颈椎的拉伸力学性能,研究前纵韧带、棘突上的韧带,三盘韧带,荚膜韧带和韧带flavum。他细长的完成破裂97 bone-ligament标本(C2-C3 C7-T1)准备从6颈椎棘突(平均年龄80.6岁;从71到92年)。结果表明,最高平均峰值力,244.4和220.0 N,发生在韧带flavum分别和荚膜韧带。这些负荷显著大于前纵韧带棘突上的韧带和三盘。这些结果显示,如果该地区受到一个力高于244 N,韧带会打破,以及减少耐药结构,如脊髓。

考虑一头体重50 N,动态压缩力应用于宫颈区域150 N (Allen et al。55])。其他研究人员(56)报道,平均体重的人头大成人约为5.3公斤,约20%的这个值是支持的韧带。因此,只有80%的这个值(42 N)将由植入脊椎或支持的应用于这个地区。

基于这些数据,它是合理的假设150 N的力为动态加载静态加载和42 N是合理的日常活动的标准。大部分的病人需要这种植入颈不稳定或瘫痪患者,即。,they will be at complete rest during treatment, when the fused part will act in occipital-cervical support.

Yogandan et al。57),在汽车碰撞的一项研究中,发现力量达到500 N的值和时刻的4 N·m。这些负载导致的失败occipitocervical结,颈椎间盘的退化。这个值4.0 N·m(30°)的角度可能设置为扭转的验收标准。技术标准ASTM F2423(标准指导功能、运动和戴总椎间盘假体)的评估(58)建议4.0 N·m的扭矩的扭矩测试颈试管椎间盘假体。标准F2423建议12 N·厘米为腰椎试管假肢测试资料。根据文献[57),颈椎生物力学分析中使用的扭力值在1.5到2.5 N·m范围内。旁遮普语等。56]表明,颈部的最大负载旋转盘是1.8 N·m。总结了标准批准的设备表3

表3。脊柱义肢的测试资料。

机械试验 批准的标准
静态压缩 130 MPa
动态压缩 42 MPa
静态剪切 135 MPa
动态剪切 135 MPa
静态扭转 12.0 N
动态扭转 1.8 N
Subsidance 857牛
Subsidance 242牛

胸-腰椎压缩加载

图5显示了加载应用程序在胸腰椎地区。脊柱的负载条件下高度复杂和测量是非常不确定的。不可能准确地测量加载在一个特定的脊椎在日常活动中,由于脊柱的生物力学加载期间每个人适应的姿势。两个人执行相同的动作可能会觉得加载不同。

Claeson和Barocas59]分析了双轴加载对人类尸体腰椎方面荚膜韧带(FCL)组织。他们观察到在剪切力最大扩展(平均1.68和3.01 N的值在两个方向)与正常部队垂直对齐的胶原纤维束(4.67 N),比正常的小部队的纤维方向(16.11 N)。

舒尔茨et al。60]试图预测负荷的脊椎和肌肉收缩力量和将预测与测量intradiscal压力和肌电的活动。他们发现之间的值为0.27 MPa轻松的站立位置。最关键的压力为1.62 MPa站位置,臀部在30度弯曲,伸着胳膊在前面4公斤。

夜莺et al。61年]探索头质量的惯性效应和躯干上颈椎动态约束。在他们的实验数据头影响部队和T1的反应被记录了下来。冲击速度下的3.2米/秒(11.5 km / h)的平均压缩负荷是1727 + 387 n之间的解耦观察头部和T1。

Wilke et al。62年衡量一个intradiscal压力。他们植入一个压力传感器在非简并的髓核- 5盘的男性志愿者45岁,体重70公斤。压力被记录在24小时内对各种活动:坐在椅子上,一把扶手椅和一个pezziball(人体工学坐在球);在打喷嚏、笑、散步、慢跑、爬楼梯,负载提升;和其他人。测量压力:卧倒,0.1 MPa;躺在外侧,0.12 MPa;轻松的站,0.5 MPa;站向前弯曲,1.1 MPa;不支持的,0.46 MPa; sitting with maximum flexion, 0.83 MPa; nonchalant sitting, 0.3 MPa; lifting a 20-kg weight with round flexed back, 2.3 MPa; lifting a 20-kg weight with flexed knees, 1.7 MPa; and lifting a 20-kg weight close to the body, 1.1 MPa. During the night, the pressure increased from 0.1 to 0.24 MPa. According to Wilke et al. [62年],走路人的脊椎支持的压力达到0.65 MPa。考虑到脊椎的面积将支持负载为1200毫米2达到780 N支持负载,在站立位置提升20公斤的体重与圆弯曲背部,压力达到2.3 MPa为2700 N .他们认为intradiscal加载是脊柱脊柱前凸的曲率的影响,通过活动开展的类型和肌肉干扰。

Rohlmann et al。63年)和斯科特(64年)测量了负载在脊柱内固定在走在平坦的表面和爬楼梯。作者确定了行走的速度和方式的影响。他们发现的轴向压缩载荷值高达125 N左边和大约150 N的右边最重要的活动。在其他研究中,Rohlmann et al。65年对脊柱进行测量应用的时刻。他们测量的最大分别的时刻。2.8 N·m值左边和右边约0.3 N·m,总计3.1海里。腰椎上的负载可能是体重的1.2倍在步态。

根据Rohlmann et al。63年]爬上下楼梯,日常活动的一部分,脊椎受到压缩载荷约300 - 400 n .他们测量实际负载使用伸长计。

根据舒尔茨et al。66年),反应部队而不是外部力量诱导脊柱压缩载荷的增加。可能的运动弯腰捡起一张纸诱发更大的力量在臀部比起重重量。这些载荷是由肌活动和intradiscal压力的测量。

根据海勒et al。67年),脊柱韧带受损破裂载荷为692 N .化验的断裂负荷范围确定的范围从220 - 1590 N。

表4从文献介绍了编译的结果(优先体内测试)考虑只有一个十进制数字。

表4。理论加载和应力应用于脊柱。

参考 加载 请注意
Wilke等。[62] 0.1 MPa < < 2.3 MPa 在活的有机体内测试应该在日常活动盘表面- 5 1800平方毫米。
舒尔茨等。[60] 0,3 MPa < S < 1.6 MPa 在活的有机体内测试不同的姿势
Wilke等。[62] F = 2510 N 微积分Wilke et al .[62]的基础上,建议把F = 445 N
Rohlman等。[65] F < 150 N
M < 3.1 N×M
爬上下楼梯
F < 150 N
M < 6.4 N×M
在活的有机体内在体外测试
F = 1.2 W

脊椎的面积被认为是1800毫米2。设备的截面积被认为是等于62毫米2为了确定压应力(67年]。他们认为一个胖人(200公斤)的重量,即。,一个非常关键的情况。对于这种情况,我们需要计算的压力通过压缩加载和考虑弯矩。表5显示了计算应力。

表5所示。理论应用于脊柱压力。

作者 结果 评论
Wilke等。[62] T < 2.3 MPa 在活的有机体内测试应该在日常活动盘表面- 5 1800毫米2
舒尔茨等。[60] T < 1.6 MPa 在活的有机体内测试在不同的位置
Wilke等。[62] T = 1.4 MPa 基于Wilke et al。[62],他建议F = 445 N
Rohlman等。[65] T (F) < 2.4 Mpa
T (M) < 124.2 MPa * * *
爬上下楼梯
T (F) < 2.4 Mpa
T (M) < 256.3 MPa * * *
在活的有机体内在体外测试
T = 1.3 MPa

技术标准ASTM F1717(脊柱植入物的标准测试方法构造vertebrectomy模型)(68年)涵盖了材料和方法的静态和疲劳测试脊柱植入组件在vertebrectomy模型。的标准是明确的,提到测试方法不是为了定义级别的性能,因为没有足够的知识来预测使用特定设备的后果。产品的测试结果不能直接使用预测体内的性能。结果可以用来比较不同组件设计的相关力学参数。根据这个标准,目前在酒吧可以计算测试。之间的杠杆臂负载和支点是40毫米。目前由eqn给出。(2)执行计算,我们发现一个值为y = 3.125毫米62.6毫米。因此,确定力矩和转动惯量,y的值,可以计算出压力的时刻,按计划进行。表4显示了结果。你会发现有一个小色散结果基于压力和高分散的结果基于弯矩。的差异不是由于缺乏精确,但每个测量的性质不同。

静态压缩试验,验收标准是256.3 MPa。这是最高的价值表5实际情况,证实了Rohlmann et al。65年]。

在动态弯曲测试,可以使用一个标准轴组件测试,另一个用于flexion-compression测试。根据数据表5,最重要的标准是,建议由Rohlmann et al。65年哪里有一个轴组件2.4 MPa, flexion-compression组件256.3 MPa。因此,这些值作为标准验收的压力。

对于静态扭转测试,我们采用了作为参考的研究Jirkova et al。69年]。这些研究人员进行实验测量腰椎刚度,考虑部分的扭转刚度相关产品。扭转刚度可以定义为一个给定的时刻之间的比率(在这种情况下周围的扭力轴向的腰椎),为这一刻的脊柱变形。最大扭转刚度发现160 N·厘米/学位。这将是采用的验收标准,因为扭转刚度是杨氏模量的模拟常见的拉伸试验。当材料强度高于160 N·厘米/学位,它是合理的假设,在扭转变形阻力在执行这项运动来说是足够的。因此,参考价值160 N·厘米/学位可能扭转这些产品的验收标准。

把加载胸-腰椎

Rohlmann et al。70年)进行的一项研究来补充Wilke聚集的信息等。62年),分析了脊髓的压缩光盘。作者收集的数据在物理活动,如慢跑、跳,双杠运动。他们使用两种技术:intradiscal和内固定。在intradiscal技术传感器捕获椎间盘内的压力。内部传感器固定在脊柱的后地区双边和测量应用于脊柱的压力。

图4显示的轮廓把脊柱上的负载。

从收集到的数据从志愿者,这是观察到当他们停止他们的身体手臂(双杠)保持腿坐姿,抗压应力相对减少了大约30%的压力站的位置。根据Wilke et al。62年]甚至消除身体施加于脊椎的压力,阀瓣和负载的功能单位是不能完全消除由于肌肉动作,往往合同支持下肢。因此,可以得出这样的结论:脊柱不断压缩下,即使腿上的重量是松了一口气,即。、脊柱牵引或椎间盘减压不自然地发生。这个结果证实了Weidle [71年),发现治疗椎间盘减压对于缓解疼痛,脊椎不断受到压缩力量。拉应力在脊柱不自然。

根据Nordin和弗兰克尔(72年),在轻松的站立位置,第三和第四腰椎椎间盘内部压力是身体的一部分的重量的两倍以上这些光盘。这种高压产生的弯曲躯干前面,这就增加了倾斜脊柱前的时刻,罕见压缩椎间盘的纤维环。在相同的运动,后椎脊柱放松,导致纤维环的背区域是张拉。在这种情况下,脊柱没有张力,但有拉伸脊柱功能单位的后部分由于弯矩。后纵韧带连接椎盘和椎骨的后缘的尸体从C2延伸至骶骨,胸椎和腰椎地区被广泛。这个韧带有重视维持脊柱的完整性,避免后续屈曲过度和后椎间盘的髓核突出。

任何设备连接到脊柱的后地区受拉伸载荷的作用产生的弯矩和提供的电阻后韧带。

设备应该支持的最低压力相当于324 N的负载引起的断裂韧带。这个值可以采用作为验收标准为植入flexion-traction测试。

胸地区——胸部

图5显示了加载的肋骨。在呼吸过程中,法向力等于35 N是应用于胸骨(73年]。根据Casha et al。74年人以虚弱的咳嗽可以适用于胸骨迫使约560 n .然而,手术技术建议至少有三个板块用于关闭胸骨,因此载荷除以三个堵塞系统。与缝合关闭的情况下,推荐使用至少6电线,这样在日常活动的力就不会撕裂胸骨骨(75年]。

为目的的项目审批标准,设备的疲劳强度必须大于560 N [74年]。600 N的值是一个适当的值的峰值力产品应该抵制。

结论

本文概述了生物力学关系建立在不同的人的骨头在执行例行的日常活动。人体生理骨装载要求开发的产品用于骨折固定。这手稿描述了应力值和时刻的力量作用于人体不同的区域。

在盂肱地区,负载传递给一个假想的设备要求为至少1260公斤。努力肱骨透露这骨头可以站力量直到2840 N和1510 N compression-torsion和弯曲的努力下,分别。任何医疗器械开发应考虑450 MPa和时刻的应力值0.43 Nm /学位目标时骨折合并在这个领域。鹰嘴地区约184 MPa压力在静态条件下,在前臂加载不同弯曲扩展和负载最高的是站在一个医疗设备是245 N时半径和尺骨骨在旋后。手腕地区熊装载约100 N在日常活动和手站在每个掌骨7.13 MPa的压力。在髋关节复杂,35%的体重是站在股骨头颈部假肢要求支持至少107的疲劳寿命周期。213 MPa和116 MPa的压力值被称为区域的胫骨和腓骨提交静态载荷时,分别。在脚踝,任何假体通常是含铅多125%的体重在一个经常走路。

生物力学给出的方法范式和解释人类骨骼的加载在正常的日常活动,应该有用的学生,研究人员、工程师和医疗设备的制造商。

确认

我们感谢卡洛斯恰加斯病的基础研究的支持里约热内卢州(FAPERJ)和全国委员会的技术和科学发展巴西政府(CNPq)支持通过资助这项研究:E-26/201.759/2015, E-26/201.828/2015, E-26/010.001.262/2015 168807/2017-3。

引用

全球技术峰会